DE102018132833A1

DE102018132833A1 - Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie Abgasnachbehandlungssystem

Info

Publication number: DE102018132833A1
Application number: DE102018132833.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Bunkus; Stephan Kellner; Matthias Tzschentke
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10). Der Verbrennungsmotor (10) ist auslassseitig mit einer Abgasanlage (20) verbunden, in welcher in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors (10) stromabwärts einer Turbine (24) eines Abgasturboladers (18) zumindest ein SCR-Katalysator (26) angeordnet ist. Stromabwärts der Turbine (24) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (26) ist ein Dosierelement (32) vorgesehen, mit welchem ein Reduktionsmittel in den Abgaskanal (22) eindosiert werden kann. Dabei ist ein Bypass (40) für den SCR-Katalysator (26) vorgesehen, um in Betriebszuständen, bei denen ein Austrag von in dem SCR-Katalysator (26) eingespeichertem Ammoniak zu befürchten ist, der Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) zumindest anteilig durch den Bypass (40) geleitet wird, um eine thermische Zersetzung des Ammoniaks oder einen Ammoniakaustrag aus dem SCR-Katalysator (26) zu verhindern.Die Erfindung betrifft ferner Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors sowie ein Abgasnachbehandlungssystem zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
Die aktuelle und eine zukünftig immer schärfer werdende Abgasgesetzgebung stellen hohe Anforderungen an die motorischen Rohemissionen und die Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren. Dabei stellen die Forderungen nach einem weiter sinkenden Verbrauch und die weitere Verschärfung der Abgasnormen hinsichtlich der zulässigen Stickoxid-Emissionen eine Herausforderung für die Motorenentwickler dar. Bei Ottomotoren erfolgt die Abgasreinigung in bekannter Weise über einen Drei-Wege-Katalysator, sowie dem Drei-Wege-Katalysator vor- und nachgeschaltete weitere Katalysatoren. Bei Dieselmotoren finden aktuell Abgasnachbehandlungssysteme Verwendung, welche einen Oxidationskatalysator, einen Katalysator zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden (SCR-Katalysator) sowie einen Partikelfilter zur Abscheidung von Rußpartikeln und gegebenenfalls weitere Katalysatoren aufweisen. Als Reduktionsmittel wird dabei bevorzugt Ammoniak verwendet. Weil der Umgang mit reinem Ammoniak aufwendig ist, wird bei Fahrzeugen üblicherweise eine synthetische, wässrige Harnstofflösung verwendet, die in einer dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Mischeinrichtung mit dem heißen Abgasstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird die wässrige Harnstofflösung erhitzt, wobei die wässrige Harnstofflösung Ammoniak im Abgaskanal freisetzt. Eine handelsübliche, wässrige Harnstofflösung setzt sich im Allgemeinen aus 32,5 % Harnstoff und 67,5 % Wasser zusammen.
Aus der DE 195 29 835 A1 ist ein Ottomotor mit einem Abgasnachbehandlungssystem bekannt. Dabei ist in der Abgasanlage stromaufwärts eines Drei-Wege-Katalysators ein SCR-Katalysator angeordnet, wobei für den SCR-Katalysator ein Bypass vorgesehen ist, in welchem ein Startkatalysator angeordnet ist. Durch den Startkatalysator im Bypass kann unmittelbar nach einem Kaltstart ein Katalysator auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt werden, um kurz nach dem Kaltstart eine effiziente Abgasnachbehandlung des Ottomotors zu ermöglichen. Im weiteren Betrieb erfolgt durch den SCR-Katalysator eine besonders effiziente Konvertierung der Stickoxide, wenn der Ottomotor in einem Magerbetrieb gefahren wird und somit kein Reduktionsmittel für eine Reduzierung der Stickoxide durch den Drei-Wege-Katalysator vorliegt.
Aus der DE 10 2005 015 479 A1 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, welcher als selbstzündender Dieselmotor ausgeführt ist. Dabei sind in der Abgasanlage in Strömungsrichtung eines Abgases durch die Abgasanlage ein Oxidationskatalysator, stromabwärts des Oxidationskatalysators ein Partikelfilter und weiter stromabwärts ein SCR-Katalysator angeordnet. Um ein Überhitzen des SCR-Katalysators zu vermeiden und zu verhindern, dass die im SCR-Katalysator zurückgehaltenen Stickoxide thermisch dissipieren, ist ein Bypass für den SCR-Katalysator vorgesehen, um besonders heißes Abgas, insbesondere während einer Regeneration des Partikelfilters, an dem SCR-Katalysator vorbeizuleiten. Alternativ ist ein Kühlluftsystem vorgesehen, mit welchem der SCR-Katalysator extern gekühlt wird, um eine thermische Dissipation der Stickoxide zu verhindern.
Die EP 2 055 909 A1 offenbart einen Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem. Dabei ist der Verbrennungsmotor als Ottomotor ausgeführt, welcher in einem Schichtladebetrieb mit einem überstöchiometrischen Verbrennungsluftverhältnis betrieben werden kann. In der Abgasanlage ist ein SCR-Katalysator stromaufwärts eines Drei-Wege-Katalysators angeordnet. Dabei ist ein Bypass für den SCR-Katalysator vorgesehen. In einem Schichtladebetrieb wird das Abgas durch den SCR-Katalysator geleitet. In einem stöchiometrischen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors wird das Abgas durch den Bypass geleitet, wobei eine Reduktion der Stickoxide durch den Drei-Wege-Katalysator erfolgt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator einen Austrag von Ammoniak aus dem SCR-Katalysator zu vermeiden und somit das vollständige Katalysatorvolumen zur Konvertierung von Stickoxiden nutzen zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, gelöst, wobei in der Abgasanlage stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers zumindest ein SCR-Katalysator mit einem dem SCR-Katalysator in Strömungsrichtung eines Abgases durch einen Abgaskanal der Abgasanlage nachgeschalteten Sperrkatalysator angeordnet ist. Dabei umfasst die Abgasanlage ein Dosierelement, mit welchem ein Reduktionsmittel stromaufwärts des SCR-Katalysators in den Abgaskanal eindosiert werden kann. Ferner weist die Abgasanlage einen Bypass auf, mit welchem das Abgas des Verbrennungsmotors an dem SCR-Katalysator vorbeigeleitet werden kann. Das Verfahren umfassend folgende Schritte:

- Eindosieren eines Reduktionsmittels in den Abgaskanal des Verbrennungsmotors, wobei der Bypass verschlossen ist und der Abgasstrom des Verbrennungsmotors durch den Abgaskanal geleitet wird, wobei der SCR-Katalysator mit Ammoniak beladen wird,
- Ermitteln eines Beladungszustandes der Ammoniak-Beladung des SCR-Katalysators,
- Umschalten auf einen Bypassbetrieb, wenn der Verbrennungsmotor in einem Betriebszustand betrieben wird, bei welchem ein Ammoniakdurchbruch durch den SCR-Katalysator oder einem dem SCR-Katalysator nachgeschalteten weiteren SCR-Katalysator zu erwarten ist.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht es, den SCR-Katalysator vollständig mit Ammoniak zu beladen und dabei einen Anstieg der Endrohr-Emissionen zu vermeiden. Dabei wird ein Austrag von Ammoniak aus dem SCR-Katalysator durch die Abgasstromführung des Verbrennungsmotors vollständig vermieden. Sollte es dennoch zu einem Austrag von Ammoniak aus dem SCR-Katalysator kommen, so kann das Ammoniak durch den Oxidationskatalysator oxidiert werden und gelangt nicht als Endrohremission in die Umwelt.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Verbesserungen und nicht triviale Weiterentwicklungen des im unabhängigen Anspruch aufgeführten Verfahrens zur Abgasnachbehandlung des Verbrennungsmotors möglich.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms durch den SCR-Katalysator durch ein Steuerelement in dem Bypass gesteuert oder geregelt wird. Durch ein Steuerelement im Bypass ist eine einfache, betriebssichere und kostengünstige Aufteilung des Abgasstroms auf den Abgaskanal und den Bypass möglich. Der Bypass weist einen geringeren Strömungswiderstand gegenüber dem SCR-Katalysator auf, sodass ein nennenswerter Teil des Abgasstroms durch den Bypass geleitet wird. Somit kann insbesondere die Abgasmenge und die Geschwindigkeit des Abgasstroms durch den SCR-Katalysator gesteuert werden, um eine bestmögliche Konvertierung der Schadstoffe zu erreichen. Alternativ kann das Steuerelement auch an einer Verzweigung, an welcher der Bypass aus dem Abgaskanal abzweigt oder an einer Einmündung, an welcher der Bypass wieder in den Abgaskanal einmündet, angeordnet sein. Durch ein Steuerelement, insbesondere eine Abgasklappe an der Verzweigung kann der Abgasstrom unabhängig vom Strömungswiderstand des Abgaskanals und des Bypasses variiert werden. Zusätzlich ist dabei das Steuerelement stromaufwärts des Dosierelements angeordnet, um unkontrollierte Turbulenzen unmittelbar vor dem SCR-Katalysator zu vermeiden. Weiterhin besteht durch ein Steuerelement an der Verzweigung die Möglichkeit den Abgasstrom über den SCR-Katalysator so weit zu reduzieren, dass durch Konvektion und Wärmestrahlung der Teilstrom auf den zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden notwendigen Temperaturbereich, vorzugsweise auf eine Temperatur von weniger als 450°C am Eintritt in den SCR-Katalysator, herunterzukühlen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Steuerelement an der Verzweigung von dem Abgaskanal und dem Bypass stromaufwärts des SCR-Katalysators oder an der Zusammenführung von Bypass und Abgaskanal stromabwärts des SCR-Katalysator angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich der Abgasstrom über den SCR-Katalysator beliebig bis auf ein Minimum reduzieren.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Umschalten auf den Bypassbetrieb erfolgt, wenn eine Regeneration eines im Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordneten Partikelfilters durchgeführt wird. Eine Regeneration des Partikelfilters führt zu einem Anstieg der Abgastemperatur, dabei sind zur Regeneration des Partikelfilters Abgastemperaturen von mehr als 600°C sowie das Vorliegen von Sauerstoff im Abgas Voraussetzungen, um die im Partikelfilter zurückgehaltenen Rußpartikel oxidieren zu können. Bei diesen Abgastemperaturen ist eine effiziente Abgasnachbehandlung der Stickoxidemissionen durch den SCR-Katalysator nicht mehr möglich, da Ammoniak oberhalb von etwa 450°C thermisch zersetzt wird. Daher ist es gerade bei einer Regeneration des Partikelfilters sinnvoll, zumindest eine Teilmenge des Abgasstroms durch den Bypass zu führen, um den SCR-Katalysator im für die Konvertierung von Stickoxiden optimalen Temperaturbereich betreiben zu können. Dazu ist der Abzweig in den Bypass mindestens 5cm, besser 10cm, idealerweise 15cm vor dem Dosierventil angeordnet, damit das Abgas aufgrund von Konvektion und Wärmestrahlung in den gewünschten Temperaturbereich heruntergekühlt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Strömungsgeschwindigkeit durch den SCR-Katalysator reduziert wird, um einen AmmoniakAustrag aus dem SCR-Katalysator zu verhindern und die Verweildauer des Abgases beim Durchströmen des SCR-Katalysators zu erhöhen. Durch eine verringerte Strömungsgeschwindigkeit erhöht sich die Verweildauer des Abgases im SCR-Katalysator, wodurch die Konvertierungsrate der Stickoxid-Emissionen erhöht wird.
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Temperatur des SCR-Katalysators unter einer definierten Schwellentemperatur gehalten wird, um eine thermische Zersetzung des im SCR-Katalysator zurückgehaltenen Ammoniaks zu verhindern. Dazu ist die Verzweigung von Abgaskanal und Bypass mindestens 5cm, besser 10cm, idealerweise 15cm vor dem Dosierventil angeordnet, damit das Abgas aufgrund von Konvektion und Wärmestrahlung in den gewünschten Temperaturbereich heruntergekühlt wird.
Erfindungsgemäß wird ein Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor, welcher mit seinem Auslass mit einer Abgasanlage verbunden ist, vorgeschlagen, wobei in der Abgasanlage stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers zumindest ein SCR-Katalysator mit einem dem SCR-Katalysator in Strömungsrichtung eines Abgases durch einen Abgaskanal der Abgasanlage nachgeschalteten Sperrkatalysator angeordnet ist. Dabei umfasst die Abgasanlage ein Dosierelement, mit welchem ein Reduktionsmittel stromaufwärts des SCR-Katalysators in den Abgaskanal eindosierbar ist. Ferner weist die Abgasanlage einen Bypass auf, welcher einen Abgasstrom des Verbrennungsmotors an dem SCR-Katalysator vorbeileiten kann. Der Verbrennungsmotor ist mit einem Motorsteuergerät verbunden, welches dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abgasnachbehandlung durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät ausgeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass der Sperrkatalysator einen Oxidationskatalysator umfasst. Durch einen Oxidationskatalysator können Schadstoffemissionen an unverbrannten Kohlenwasserstoffen (HC), Kohlenmonoxid (CO) und von Ammoniak konvertiert werden, sodass diese nicht als Endrohremissionen an die Umwelt emittiert werden.
Alternativ oder zusätzlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass der Sperrkatalysator einen weiteren SCR-Katalysator umfasst. Durch einen zusätzlichen Sperrkatalysator ist eine Ammoniakbeladung des SCR-Katalysators bis an seine Speichergrenze besonders einfach zu realisieren. Dabei wird überschüssiges Ammoniak in den zweiten SCR-Katalysator eingelagert und kann dort zu selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden genutzt werden. Gleichzeitig wird die Menge an eindosiertem Reduktionsmittel verringert, um die eingebrachte Menge an Reduktionsmittel an den zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden notwendigen Ammoniakbedarf anpassen zu können.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Abgasnachbehandlungssystems ist vorgesehen, dass das Steuerelement in dem Bypass, an der Verzweigung des Bypasses aus dem Abgaskanal oder an der Einmündung des Bypasses in den Abgaskanal als eine elektrisch schaltbare Abgasklappe ausgeführt ist. Durch eine elektrische Abgasklappe kann auf einfache und betriebssichere Art und Weise eine Aufteilung des Abgasstroms des Verbrennungsmotors auf den Abgaskanal und den Bypass erfolgen. Ferner kann damit die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases durch den SCR-Katalysator verringert werden, um die Konvertierungsleitung des SCR-Katalysators zu erhöhen und/oder einen Austrag von Ammoniak zu vermeiden.
In einer weiteren Verbesserung der Erfindung ist vorgesehen, dass stromabwärts des Dosierelements und stromaufwärts des SCR-Katalysators ein Abgasmischer in dem Abgaskanal angeordnet ist. Durch einen Abgasmischer kann eine homogene Verteilung des Reduktionsmittels im Abgasstrom vor Eintritt in den SCR-Katalysator erreicht werden. Dabei kann durch den Abgasmischer die Länge der Mischstrecke verkürzt werden, um eine solche homogene Verteilung zu erreichen. Dadurch kann der SCR-Katalysator näher am Auslass des Verbrennungsmotors angeordnet werden, wodurch ein Aufheizen des SCR-Katalysators nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors begünstigt wird.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem, wobei einem SCR-Katalysator ein Oxidationskatalysator als Sperrkatalysator nachgeschaltet ist;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem, wobei dem SCR-Katalysator ein weiterer SCR-Katalysator als Sperrkatalysator nachgeschaltet ist;
4 ein viertes Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor mit einem erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystem, wobei der Bypass stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators wieder in den Abgaskanal einmündet;
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem mit einem SCR-Katalysator und zwei Sperrkatalysatoren ;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem, wobei der Bypass stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators und stromaufwärts des Oxidationskatalysators wieder in den Abgaskanal einmündet;
7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem, wobei der Bypass stromabwärts sämtlicher Katalysatoren wieder in den Abgaskanal einmündet,
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem, wobei das Steuerelement an der Verzweigung von Abgaskanal und Bypass angeordnet ist, und
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Abgasnachbehandlungssystem, wobei das Steuerelement an der Einmündung des Bypasses in den Abgaskanal angeordnet ist.

1 zeigt die schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors 10, welcher mit seinem Auslass 16 mit einer Abgasanlage 20 verbunden ist. Der Verbrennungsmotor 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein direkteinspritzender Dieselmotor und weist mehrere Brennräume 12 auf. An den Brennräumen 12 ist jeweils ein Kraftstoffinjektor 14 zur Einspritzung eines Kraftstoffes in den jeweiligen Brennraum 12 angeordnet. Der Verbrennungsmotor 10 kann ferner eine Hochdruck-Abgasrückführung umfassen, über welche ein Abgas des Verbrennungsmotors 10 von dem Auslass 16 zu einem Einlass des Verbrennungsmotors 10 zurückgeführt werden kann. An den Brennräumen 12 sind Einlassventile und Auslassventile angeordnet, mit welchen eine fluidische Verbindung vom Ansaugtrakt zu den Brennräumen 12 oder von den Brennräumen 12 zur Abgasanlage 20 geöffnet oder verschlossen werden kann.
Die Abgasanlage 20 umfasst einen Abgaskanal 22, in welchem in Strömungsrichtung eines Abgases des Verbrennungsmotors 10 durch den Abgaskanal 22 eine Turbine 24 eines Abgasturboladers 18 und stromabwärts der Turbine 24 als erste Komponente der Abgasnachbehandlung ein SCR-Katalysator 26 angeordnet sind. Der Abgasturbolader 18 ist vorzugsweise als Abgasturbolader 18 mit variabler Turbinengeometrie ausgeführt. Dazu sind einem Turbinenrad der Turbine 24 verstellbare Leitschaufeln vorgeschaltet, über welche die Anströmung des Abgases auf die Schaufeln der Turbine 24 variiert werden kann. Stromabwärts der Turbine 24 des Abgasturboladers 18 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 26 ist ein Dosierelement 32 angeordnet, mit welchem ein Reduktionsmittel, insbesondere wässrige Harnstofflösung, in den Abgaskanal 22 eindosiert werden kann. Dem Dosierelement 32 ist ein Abgasmischer 34 nachgeschaltet, um eine bessere Durchmischung des Reduktionsmittels und des Abgases vor dem Eintritt in den SCR-Katalysator zu erreichen. Aus der wässrigen Harnstofflösung wird Ammoniak gewonnen, mit welchem die Stickoxide in molekularen Stickstoff reduziert werden. Stromabwärts des SCR-Katalysators 26 ist ein Oxidationskatalysator 28 angeordnet, welcher in Bezug auf das im SCR-Katalysator 26 eingelagerte Ammoniak als Sperrkatalysator fungiert. Stromabwärts der Turbine 24 und stromaufwärts des SCR-Katalysators 26 weist der Abgaskanal 22 eine Verzweigung 36 auf, an welcher ein Bypass 40 aus dem Abgaskanal 22 abzweigt. Der Bypass 40 umgeht den SCR-Katalysator 26 und führt stromabwärts des SCR-Katalysators 26 und stromaufwärts des Oxidationskatalysators 28 an einer Einmündung 38 wieder zurück in den Abgaskanal 22. In dem Bypass 40 ist ein Steuerelement 42, insbesondere eine Abgasklappe 44 vorgesehen, mit welchem der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 wahlweise durch den Abgaskanal 22 oder durch den Bypass 40 geführt werden kann. Eine Aufteilung des Abgasstroms auf beide Kanäle 22, 40 ist ebenfalls möglich. Der Verbrennungsmotor 10 ist mit einem Motorsteuergerät 50 verbunden, über welches die Einspritzung des Kraftstoffes in die Brennräume 12 des Verbrennungsmotors 10, die Eindosierung des Reduktionsmittels in den Abgaskanal 22 sowie die Stellung des Steuerelementes 42 gesteuert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Abgasstrom durch den SCR-Katalysator 26 mithilfe des Steuerelements 42 im Bypass 40 so eingestellt, dass ein Austragen von Ammoniak aus dem SCR-Katalysator 26 vermieden wird. Durch ein Einleiten des Abgasstroms bei einem Bypassbetrieb stromaufwärts des Oxidationskatalysators 28 können unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenstoffmonoxid (CO) und Ammoniak-Bestandteile im Abgas oxidiert werden, wodurch die Endrohremissionen minimiert werden.
In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor 10 mit einer Abgasanlage 20 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, mündet in diesem Ausführungsbeispiel der Bypass 40 erst stromabwärts des Oxidationskatalysators 28 wieder in den Abgaskanal 22, sodass der Oxidationskatalysator 28 in einem Bypassbetrieb ebenfalls nicht von dem Abgas des Verbrennungsmotors 10 durchströmt wird.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor 10 mit einer Abgasanlage 20. Bei ansonsten gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel anstelle des Oxidationskatalysators 28 ein weiterer SCR-Katalysator 30 als Sperrkatalysator für aus dem ersten SCR-Katalysator 26 freigesetztes Ammoniak vorgesehen. Dabei ist vorzugsweise einer der SCR-Katalysatoren 26, 30 als eine Beschichtung zur selektiven, katalytischen Reduktion von Stickoxiden auf einem Partikelfilter ausgeführt, um zusätzlich zur Reduktion der Stickoxid-Emissionen auch die Rußpartikel aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 entfernen zu können.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen Verbrennungsmotor 10 mit einer Abgasanlage 20 dargestellt. Bei ansonsten gleichem Aufbau wie zu 3 ausgeführt, befindet sich die Einmündung 38 für den Bypass 40 in den Abgaskanal 22 bei diesem Ausführungsbeispiel stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 30.
Durch die in 3 und 4 dargestellten Ausführungsvarianten kann der Abgasstrom des Verbrennungsmotors 10 mithilfe des Steuerelements 42 im Bypass 40 so eingestellt werden, dass das aus dem ersten SCR-Katalysator 26 ausgetragene Ammoniak (NH3) im zweiten SCR-Katalysator zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen genutzt werden kann, ohne dass ein Ammoniak-Durchbruch durch das Abgasnachbehandlungssystem erfolgt. Die Variante gemäß dem Ausführungsbeispiel in 3 wird dabei bevorzugt, da die Stickoxid-Emissionen, die durch den Bypass 40 gelangen, im zweiten SCR-Katalysator 30 mithilfe des definiert ausgetragenen Ammoniaks reduziert werden können.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Abgasanlage 20 stromabwärts einer Turbine eines Abgasturboladers. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 und 3 ausgeführt, sind in diesem Ausführungsbeispiel stromabwärts der Einmündung 38 des Bypasses 40 sowohl ein weiterer SCR-Katalysator 30 als auch ein Oxidationskatalysator 28 in dem Abgaskanal 22 angeordnet.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine solche Abgasanlage 20. Bei ansonsten gleichem Aufbau wie zu 5 ausgeführt, mündet der Bypass 40 in diesem Ausführungsbeispiel stromabwärts des zweiten SCR-Katalysators 30 und stromaufwärts des Oxidationskatalysators 28 wieder in den Abgaskanal 22. Dies hat den Vorteil, dass der Oxidationskatalysator 28 in allen Betriebszuständen der Abgasanlage 20 vom Abgas des Verbrennungsmotors 10 durchströmt wird, jedoch der Strömungswiderstand gegenüber dem Ausführungsbeispiel in 5 bei einem Bypassbetrieb reduziert ist.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Abgasanlage 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 5 und 6 ausgeführt, befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel die Einmündung 38 für den Bypass 40 stromabwärts sämtlicher Katalysatoren 26, 28, 30, also stromabwärts des Oxidationskatalysators 28.
Die in 5 bis 7 dargestellten Ausführungsformen stellen eine Kombination der in 1 und 2 sowie in 3 und 4 dargestellten Varianten dar. Dabei besteht der Sperrkatalysator aus dem zweiten SCR-Katalysator 30 und dem Oxidationskatalysator 28. Diese Lösungen sind technisch aufwendiger und teuer, kombinieren jedoch deren Vorteile für minimale Endrohremissionen.
In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Abgasanlage 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, ist in diesem Ausführungsbeispiel das Steuerelement 42 an der Verzweigung 36 von Abgaskanal 22 und Bypass 40 angeordnet. Dadurch kann das Abgasstrom unabhängig vom Strömungswiderstand im Abgaskanal 22 oder im Bypass 40 variiert werden. Zusätzlich kann durch das Steuerelement 42 stromaufwärts des Dosierelements 32 eine unkontrollierte Turbulent des Abgasstrom unmittelbar vor Eintritt in den SCR-Katalysator 26 vermieden werden. Ferner besteht durch das Steuerelement 42 an der Verzweigung 36 die Möglichkeit, den Abgasstrom über den SCR-Katalysator 26 so weit zu reduzieren, dass eine thermische Zersetzung des im SCR-Katalysator 26 eingespeicherten Ammoniaks verhindert wird. Alternativ zu einem Oxidationskatalysator 28 kann stromabwärts des SCR-Katalysators 26 auch ein zweiter SCR-Katalysator 30 als Ammoniak-Sperrkatalysator angeordnet sein.
In 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Abgasanlage 20 für einen Verbrennungsmotor 10 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 8 ausgeführt, ist das Steuerelement 42 in diesem Ausführungsbeispiel an der Einmündung 38 angeordnet. Durch ein Schließen des Steuerelements 42 entsteht in dem Abgaskanal 22 ein Staudruck, sodass der Abgasstrom durch den Bypass 40 geleitet wird. Anstelle eines Oxidationskatalysator 28 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein zweiter SCR-Katalysator 30 als Ammoniak-Sperrkatalysator stromabwärts des SCR-Katalysators 26 angeordnet. Ein Oxidationskatalysator 28 ist jedoch ebenfalls als Sperrkatalysator möglich.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungsmotor
12: Brennraum
14: Kraftstoffinjektor
16: Auslass
18: Abgasturbolader
20: Abgasanlage
22: Abgaskanal
24: Turbine
26: SCR-Katalysator
28: Oxidationskatalysator
30: zweiter SCR-Katalysator
32: Dosierelement
34: Abgasmischer
36: Verzweigung
38: Einmündung
40: Bypass
42: Steuerelement
44: Abgasklappe
50: Motorsteuergerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19529835 A1 [0003]
DE 102005015479 A1 [0004]
EP 2055909 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Abgasnachbehandlung eines Verbrennungsmotors (10), der mit seinem Auslass (16) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (20) stromabwärts einer Turbine (24) eines Abgasturboladers (18) zumindest ein SCR-Katalysator (26) mit einem dem SCR-Katalysator (26) in Strömungsrichtung eines Abgases durch einen Abgaskanal (22) der Abgasanlage (20) nachgeschalteten Sperrkatalysator (28, 30) angeordnet ist, wobei die Abgasanlage (20) ein Dosierelement (32) umfasst, mit welchem ein Reduktionsmittel stromaufwärts des SCR-Katalysators (26) in den Abgaskanal (22) eindosiert werden kann, und wobei die Abgasanlage (20) einen Bypass (40) aufweist, mit welchem das Abgas des Verbrennungsmotors (10) an dem SCR-Katalysator (26) vorbeigeleitet werden kann, umfassend folgende Schritte: - Eindosieren eines Reduktionsmittels in den Abgaskanal (22) des Verbrennungsmotors (10), wobei der Bypass (40) verschlossen ist und der Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) durch den Abgaskanal (22) geleitet wird, wobei der SCR-Katalysator (26) mit Ammoniak beladen wird, - Ermitteln eines Beladungszustandes des SCR-Katalysators (26) mit Ammoniak, - Umschalten auf einen Bypassbetrieb, wenn der Verbrennungsmotor (10) in einem Betriebszustand betrieben wird, bei welchem ein Ammoniakdurchbruch durch den SCR-Katalysator (26) oder einem dem SCR-Katalysator (26) nachgeschalteten weiteren SCR-Katalysator (30) zu erwarten ist.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit des Abgasstroms durch den SCR-Katalysator (26) durch ein Steuerelement (42) in dem Bypass (40) oder ein einer Verzweigung (36) oder Einmündung (38) des Bypasses (40) gesteuert oder geregelt wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten auf den Bypassbetrieb erfolgt, wenn eine Regeneration eines im Abgaskanal (22) des Verbrennungsmotors (10) angeordneten Partikelfilters durchgeführt wird.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit durch den SCR-Katalysator (26) reduziert wird, um einen Ammoniakaustrag aus dem SCR-Katalysator (26) zu verhindern und die Verweildauer des Abgases beim Durchströmen des SCR-Katalysators zu erhöhen.
Verfahren zur Abgasnachbehandlung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des SCR-Katalysators (26) unter einer definierten Schwellentemperatur (T_S) gehalten wird, um eine thermische Zersetzung des im SCR-Katalysator (26) zurückgehaltenen Ammoniaks zu verhindern.
Abgasnachbehandlungssystem für einen Verbrennungsmotor (10), welcher mit seinem Auslass (16) mit einer Abgasanlage (20) verbunden ist, wobei in der Abgasanlage (20) stromabwärts einer Turbine (24) eines Abgasturboladers (18) zumindest ein SCR-Katalysator (26) mit einem dem SCR-Katalysator (26) in Strömungsrichtung eines Abgases durch einen Abgaskanal (22) der Abgasanlage (20) nachgeschalteten Sperrkatalysator (28, 30) angeordnet ist, wobei die Abgasanlage (20) ein Dosierelement (32) umfasst, mit welchem ein Reduktionsmittel (32) stromaufwärts des SCR-Katalysators (26) in den Abgaskanal (22) eindosierbar ist, und wobei die Abgasanlage (20) einen Bypass (40) aufweist, welcher einen Abgasstrom des Verbrennungsmotors (10) an dem SCR-Katalysator (26) vorbeigeleiten kann, sowie mit einem Motorsteuergerät, welches dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen, wenn ein maschinenlesbarer Programmcode durch das Motorsteuergerät (50) ausgeführt wird.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrkatalysator (28, 30) einen Oxidationskatalysator (28) umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sperrkatalysator (28, 30) einen weiteren SCR-Katalysator (30) umfasst.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerelement (42) als eine elektrisch schaltbare Abgasklappe (44) im Bypass (40), an einer Verzweigung (36) von Bypass (40) und Abgaskanal (22) oder einer Einmündung (38) des Bypasses (40) in den Abgaskanal (22), ausgeführt ist.
Abgasnachbehandlungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des Dosierelements (32) und stromaufwärts des SCR-Katalysators (26) ein Abgasmischer (34) in dem Abgaskanal (22) angeordnet ist.